从本质上讲，烧结是一种热处理过程，它利用热量（有时也利用压力）将粉末压实成坚固、致密的块状物，同时保持在材料的熔点以下。虽然它通常是由原子运动驱动的纯物理过程，但它也可以与化学反应紧密结合，通过一种称为反应烧结的方法形成新的化合物。
烧结并非熔化。它是一种固态现象，原子在单个颗粒的边界之间迁移，将它们融合在一起，以减少表面能并消除它们之间的空隙。
基本目标：烧结为何发生
驱动力：降低表面能
一堆细粉末相对于其体积而言，具有巨大的表面积。这种高表面积代表着高表面能的状态。
正如合并的肥皂泡总表面积小于单个肥皂泡一样，自然界驱动烧结过程通过将颗粒融合在一起并减少总表面积来最小化这种能量。
核心机制：原子扩散
烧结之所以发生，是因为热量为原子提供了足够的能量使其移动。这个过程，称为原子扩散，允许原子在它们的接触点从一个颗粒迁移到另一个颗粒。
这种材料的迁移逐渐在颗粒之间形成“颈部”。这些颈部随着时间的推移而生长，使颗粒中心靠得更近，并系统地消除材料中的孔隙（空隙）。
烧结与熔化：一个关键区别
熔化是固态变为液态的相变。这会导致物体原始形状的完全丧失。
相比之下，烧结完全在固态下进行。这使得预成型物体（例如由粉末压制而成的物体）在很大程度上保留其预期的几何形状的同时变得致密和坚固。
化学反应如何介入（反应烧结）
传统烧结：一个物理过程
在其最常见的形式中，烧结是一种物理转变。单一稳定化合物的粉末被加热，颗粒通过上述原子扩散融合在一起。
引入反应烧结
当起始材料是两种或多种可以相互反应的粉末混合物时，就会发生反应烧结。加热时，化学反应和烧结过程同时发生。
首先，反应物在颗粒界面处形成新的化合物。然后，这些新形成的产物颗粒烧结在一起，使材料致密化。例如，硅和碳粉末的混合物可以进行反应烧结以形成致密的碳化硅。
反应烧结的益处
这种方法对于制造先进材料（如非氧化物陶瓷）非常有效，这些材料非常坚硬，否则难以加工。
在某些情况下，放热化学反应产生的热量甚至可以帮助推动烧结过程本身，这种技术被称为燃烧合成。
理解权衡和关键变量
温度的作用
温度是烧结的主要杠杆。较高的温度会显著提高原子扩散速率，加速致密化。
然而，如果温度过高，可能导致不希望的晶粒生长，从而削弱最终产品，甚至导致局部熔化。
粒径的影响
使用更细的起始粉末会显著加快烧结速度。它们较高的表面能为在较低温度下发生致密化提供了更强的驱动力。
晶粒生长问题
随着烧结的进行和孔隙的消除，材料内部的单个晶粒倾向于变大。这是一个与致密化竞争的过程。
成功的烧结循环在最大限度地提高密度的同时，最大限度地减少这种晶粒生长，因为过大的晶粒会使材料变脆。关键在于找到温度和时间的正确平衡。
烧结的实际应用
理解其机制使您能够根据目标控制结果。
- 如果您的主要重点是制造高密度陶瓷部件：您必须使用细粉末并精确控制加热循环，以在显著晶粒生长发生之前最大限度地提高致密化。
- 如果您的主要重点是生产特定的化合物：反应烧结是您的方法，其中新化合物的形成及其随后的致密化是耦合的。
- 如果您的主要重点是实现特定的孔隙率（例如，用于过滤器）：您将有意使用部分烧结，在所有孔隙被消除之前停止该过程，以创建相互连接的空隙网络。
掌握扩散、能量和化学之间的相互作用是利用简单粉末工程先进材料的关键。
总结表：
| 烧结方面 | 主要要点 |
|---|---|
| 核心过程 | 固态原子扩散在熔点以下融合粉末颗粒。 |
| 反应烧结 | 化学反应和致密化同时发生以形成新化合物。 |
| 主要目标 | 通过消除孔隙、增加密度和强度来降低表面能。 |
| 关键变量 | 温度、粒径和时间必须平衡以控制晶粒生长。 |
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